基于PXI标准的功率器件总剂量效应测试系统研制

设计了一款针对功率器件的总剂量效应测试系统。该系统基于外围组件互连(PXI)扩展主机系统,设计了测试板卡,并通过设计不同工艺的半导体功率器件测试工装,实现功率器件的批量自动化测试。结果表明,氮化镓工艺的功率器件的耐总剂量效应优于硅和碳化硅工艺的功率器件的。

SOI高压LDMOS器件氧化层抗总电离剂量辐射效应研究

绝缘体上硅(SOI)高压横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)器件是高压集成电路的核心器件,对其进行了总电离剂量(TID)辐射效应研究。利用仿真软件研究了器件栅氧化层、场氧化层和埋氧化层辐射陷阱电荷对电场和载流子分布的调制作用,栅氧化层辐射陷阱电荷主要作用于器件沟道区,而场氧化层和埋氧化层辐射陷阱电荷则主要作用于器件漂移区;辐射陷阱电荷在器件内部感生出的镜像电荷改变了器件原有的电场和载流子分布,从而导致器件阈值电压、击穿电压和导通电阻等参数的退化。对80 V SOI高压LDMOS器件进行了总电离剂量辐射实验,结果表明在ON态和OFF态下随着辐射剂量的增加器件性能逐步衰退,当累积辐射剂量为200 krad(Si)时,器件的击穿电压大于80 V,阈值电压漂移为0.3 V,器件抗总电离剂量辐射能力大于200 krad(Si)。

130 nm 7T SOI SRAM总剂量与单粒子协和效应研究

为进一步阐明SOI器件中总剂量效应(TID)与单粒子效应(SEE)间的协和效应,本文基于SOI工艺特征尺寸为130 nm的国产7T结构SRAM进行了相关研究。通过对4组SOI SRAM开展了不同TID辐照后的SEE实验,得到器件单粒子翻转(SEU)截面随TID的变化规律。SOI SRAM的SEU截面在TID辐照后呈现明显的降低,最大在750 krad(Si)剂量辐照后下降80.5%。器件的饱和截面呈现随剂量增加而下降的趋势,最大下降19.5%,研究中未发现SEU阈值的明显变化。分析认为,延迟晶体管N5的等效关态电阻因为TID辐照而增加,该现象会造成N5的延迟作用增强,是该款器件SEU截面下降的主要原因。采用这种7T结构的SOI SRAM的抗SEE性能会随其在轨累积剂量的增加而逐渐增强,这为今后电子器件的抗辐射加固提供了启示。

本征基区尺寸对双极器件总电离剂量辐射效应的影响

基于标准0.18μm BCD工艺,对双极器件总电离剂量(TID)辐射效应进行了研究,提出了一种提高双极器件抗总电离剂量辐射能力的方法。理论分析表明,在标准0.18μm BCD工艺中,双极器件总电离剂量辐射的敏感区域位于浅沟槽隔离结构下方、基极接触区和发射极边缘之间的本征基区。对不同本征基区尺寸的双极器件进行了总电离剂量辐射实验,研究了本征基区尺寸对双极器件电流增益随总电离剂量退化的影响。实验结果表明,在相同总电离剂量下,双极器件本征基区尺寸越小,增益衰减比例越小,辐射敏感性越低。将10 V纵向npn(VNPN)器件的本征基区尺寸由1.4μm减小至0.6μm,可将150 krad(Si)总电离剂量辐射后的归一化电流增益由0.6132增大到0.7081。因此,减小本征基区尺寸是一种有效的双极器件总电离剂量辐射加固技术。

石墨烯场效应晶体管的X射线总剂量效应

本文针对不同结构、尺寸的石墨烯场效应晶体管(graphene field effect transistors,GFET)开展了基于10 keV-X射线的总剂量效应研究.结果表明,随累积剂量的增大,不同结构GFET的狄拉克电压V_(Dirac)和载流子迁移率μ不断退化;相比于背栅型GFET,顶栅型GFET的辐射损伤更加严重;尺寸对GFET器件的总剂量效应决定于器件结构;200μm×200μm尺寸的顶栅型GFET损伤最严重,而背栅型GFET是50μm×50μm尺寸的器件损伤最严重.研究表明:对于顶栅型GFET,辐照过程中在栅氧层中形成的氧化物陷阱电荷的积累是V_(Dirac)和μ降低的主要原因.背栅型GFET不仅受到辐射在栅氧化层中产生的陷阱电荷的影响,还受到石墨烯表面的氧吸附的影响.在此基础上,结合TCAD仿真工具实现了顶栅器件氧化层中辐射产生的氧化物陷阱电荷对器件辐射响应规律的仿真.相关研究结果对于石墨烯器件的抗辐照加固研究具有重大意义.

N型MOSFET器件总剂量效应通用测试系统设计

抗辐照电机驱动器研发需要准确获取电桥电路金属-氧化物半导体场效应晶体管(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,MOSFET)器件的总剂量效应失效阈值,电流-电压、电容-电压等离线测试方法,无法真实反映器件开关性能随累积剂量增加的连续变化过程。因此,针对MOSFET器件总剂量效应的在线测试需求,设计了基于高速信号采集及存储的通用化测试系统,具备被测样品驱动、高频信号采集、高速数据存储、数据模块管理等功能。利用典型商用MOSFET器件开展了总剂量效应测试,结果显示,当吸收剂量达598.08±41.54 Gy(Si)时,样品采集方波波形开始出现异常,低电平电压升高至0.82 V,高电平电压始终正常;随着累积剂量的增大,低电平电压持续性升高至1.08 V,并进一步升高至1.24 V,但器件开关功能保持正常;当累积剂量达1775.41±219.68 Gy(Si)时,采集波形跳变为2.93 V的直线,无方波信号输出,经判断MOSFET开关功能完全受损。

基于X射线晶圆在线辐照实验的16 nm n-FinFETs总剂量效应模型研究

建立了基于X射线晶圆在线辐照实验的16 nm FinFET总剂量效应模型,并对模型的有效性进行了验证。将辐照后器件等效为一个主晶体管与辐射导致的若干寄生晶体管并联,通过改变寄生晶体管的参数对辐照中的物理机制进行了模拟。对不同鳍片数量的内核(core)和输入输出(input output,IO)n-FinFET建立了能够描述器件在不同漏源电压下工作性能的模型,仿真结果与实验数据对比表明,所建立的模型的相对均方根偏差小于15%。

基于硅通孔的三维微系统互联结构总剂量效应损伤机制研究

垂直硅通孔(TSV)作为三维集成微系统的核心技术之一,可以通过多个平面层器件的垂直堆叠有效降低互联延迟,提高集成密度,减少芯片功耗。利用^(60)Co γ射线实验装置,以自主设计的基于TSV的三维互联结构作为实验对象,进行了总剂量效应敏感性分析。实验发现,随着累积辐照剂量的增加,TSV信号通道的插入损耗(S_(21))减小,回波损耗(S_(11))增大,信号传输效率不断降低。结果表明,总剂量效应诱发TSV内部寄生MOS结构产生氧化层陷阱电荷和界面态陷阱电荷导致了寄生MOS电容C-V曲线出现“负漂”现象,由此引起的信号通道特征阻抗不连续是TSV出现信号完整性问题的内在机制。基于RLGC等效电路模型,利用Keysight ADS仿真软件验证了TSV内部寄生MOS电容总剂量效应的辐射响应规律。

CMOS集成电路总剂量效应加固技术研究现状

在核设施运行、乏燃料后处理、可控核聚变、航天卫星与太空探索、核军工、γ辐照站等存在强辐射的场景下,高能粒子、射线会与器件中的半导体材料相互作用产生辐射效应,对信号的完整性和精度产生较大影响。本文首先介绍了总剂量效应(TID)的作用机制,及其在MOS器件中的主要影响:总剂量效应会导致MOS管阈值电压漂移、跨导下降、载流子迁移率降低和电流额外泄漏等问题。其次,按照时间顺序依次阐述了近代以来总剂量效应在半导体器件特别是是CMOS器件中的具体影响,尤其对浅槽隔离氧化物(Shallow Trench Isolation, STI)受到总剂量效应的影响做了着重描述。最后,分析了在电路级中的总剂量效应,以及目前流行的几种抗辐射加固技术。

nFinFET低温总剂量效应的研究

为研究nFinFET的低温总剂量辐射效应和器件损伤机理,对16 nm工艺体硅nFinFET在300K和77K温度下进行60Co-γ射线辐照试验,总剂量为1 Mrad(Si),利用半导体测试仪测试关键电参数性能。结果表明,300K辐照后器件特性几乎无变化,而77K辐照后观察到阈值电压的负向漂移、跨导的减少以及关断电流的增加。低温环境可以抑制辐照产生的电子空穴对复合,STI区电荷俘获增强,导致器件性能衰减,极低温辐射环境电子系统设计过程中,需对nFinFET器件性能衰减与可靠性充分验证,研究为后续在轨服役工况选取和抗辐射加固设计工作提供了数据和理论支持。

Trench型N-Channel MOSFET低剂量率效应研究

基于抗辐射100V Trench型N-Channel MOSFET开展了不同剂量率的总剂量辐射实验并进行了分析,创新性提出了器件随低剂量率累积以及不同偏置状态下的变化趋势和机理,给出了器件实验前后的转移曲线和直流参数,进行了二维数值仿真比较,证明了实验和仿真的一致性。研究表明:随高剂量率的剂量增加,器件阈值电压(V_(TH))发生了明显负向漂移现象,导通电阻(R_(DSON))出现5%左右的降低,击穿电压(BV_(DS))保持基本不变;低剂量率下总剂量效应与高剂量率有明显不同,阈值电压漂移量减小,同时出现正向漂移现象;此时导通电阻(R_(DSON))和击穿电压(BV_(DS))较高剂量率变化量进一步下降。研究认为,低剂量率下器件界面缺陷电荷增加变多,使得阈值电压的漂移方向发生改变,同时低剂量率实验周期是高剂量率的500倍,退火效应也较高剂量率的明显,导致器件参数辐射前后差异性减小。

不同栅压下Si-n型金属氧化物半导体场效应管总剂量效应的瞬态特性仿真

为了实现半导体器件在电离辐射环境中电学特性的动态退化过程,本文基于总剂量效应中陷阱对载流子的俘获/发射过程,建立了Si-n型金属氧化物半导体场效应管总剂量效应的瞬态特性数值模型.仿真了不同栅极偏压下,器件电学特性随累积总剂量的上升而造成的器件退化效应,并提取了Si/SiO_(2)界面和栅氧化层中陷阱电荷的变化.仿真发现,随着累计总剂量的上升,两个位置处陷阱电荷的数量都趋向于饱和.当辐照中栅极偏压为正时,器件阈值电压的退化幅度显著高于辐照偏压为负时的退化幅度.无论是辐照过程中栅极加正偏压还是反偏压,都表现出阈值电压的退化幅度随着偏压幅值上升先上升再下降的趋势.栅极偏压对器件辐照后的退火效应也有一定的影响,在退火过程中如果栅极偏压不为零,器件退火后的电学特性恢复幅度比零偏压下的要低一些.

辐射加固LDMOS器件的总剂量辐射效应

基于标准Bipolar-CMOS-DMOS(BCD)工艺研制的抗辐射电源管理芯片无法满足航天应用要求,抗辐射BCD工艺的发展严重制约了我国在航天领域核心器件的研制。与CMOS器件相比,LDMOS器件具有更高的工作电压和更多的介质结构,更易受到总剂量问题的困扰。本文基于标准0.18μm BCD工艺,开展了18 V NLDMOS器件总剂量辐射效应研究,提出了一种总剂量辐射加固工艺技术。采用离子注入和材料改性技术工艺,提高了浅槽隔离场区边缘的P型硅反型阈值,从而增强了NLDMOS器件的抗辐射能力。通过对比实验表明,当辐照总剂量为100 krad(Si)时,加固的NLDMOS器件的抗辐射性能明显优于非加固的器件。通过总剂量辐射加固工艺技术的研究,可有效提高器件的抗总剂量辐射能力,避免设计加固造成芯片面积增大的问题。

30V SGT N-Channel MOSFET总剂量效应研究

对30V SGT型N-Channel MOSFET进行了两种不同偏置的总剂量辐射实验,随着^(60)Coγ源射线剂量的增加,给出了两种偏置状态下器件实验前后的转移曲线和直流参数变化,揭示了SGT型功率器件随剂量和偏置的变化趋势和机理。研究结果表明,随着总剂量的增加,两种偏置下器件的阈值电压、导通电阻和击穿电压均出现下降的情况。不同之处是OFF态下主要参数发生变化的幅度收窄,下降幅度相对较小。同时,出现了击穿电压先增加后下降的现象,分析认为,在^(60)Coγ源射线的作用下器件沟槽栅极下方的多晶硅屏蔽栅极存在比较厚的氧化层,在低剂量时元胞和终端处的厚氧化层产生总剂量效应,使得SGT型功率器件发生局部场强改变,从而出现该变化。

硅基N沟道VDMOS不同偏置下总剂量效应研究

通过^(60)Coγ射线辐照试验,研究了不同栅极和漏极偏置下硅基N沟道VDMOS器件的总剂量效应,获得了器件的电学特性与低频噪声特性随辐射总剂量的变化规律。试验结果表明:受辐射诱生的氧化物陷阱电荷与界面陷阱电荷的影响,在栅极偏置为+20 V时,器件的电学特性随累积剂量的增大而退化明显。通过退火试验发现,相比于导通电阻和正向压降,阈值电压、漏电流、亚阈值摆幅和输出电容对于总剂量辐射更加敏感。而在低频噪声特性方面,辐照后器件的沟道电流归一化噪声功率谱密度与正栅极偏置呈现正相关性,与负栅极偏置呈现负相关性。在不同漏极偏置条件下,辐照后器件的沟道电流归一化噪声功率谱密度降低,且基本重合。依据噪声模型,认为N沟道VDMOS内部局域电场分布对辐射感生陷阱电荷的形成影响显著,导致器件Si/SiO_(2)界面或者附近的载流子与陷阱交换引起的沟道电流波动不同,成为低频噪声主要来源。研究结果可为N沟道VDMOS器件的辐射效应评估、筛选和抗辐射加固设计提供参考。

星载高速跨阻放大器电离总剂量效应研究

为得到卫星搭载的高速跨阻运算放大器在星载环境中长时间工作后的性能变化情况,对3款增益带宽积大于1 GHz的高速跨阻放大器芯片关键特征参数的电离总剂量损伤特性及变化规律进行了试验研究。辐照试验在^(60)Coγ射线源上采用高温加速评估的方法完成,辐照到放大器芯片上的剂量率为0.3~0.5 Gy(Si)/s。分析了放大器芯片输出偏置、输出噪声和带宽等关键电参数在辐照前后及高温(85℃±6℃)退火前后的特性,讨论了引起电参数变化的机理。结果表明,经过两轮150 Gy(Si)剂量辐照及高温退火后,放大器芯片的输出偏置和输出噪声水平无明显变化,时域脉冲响应正常,-3 dB带宽减小了3%左右。带宽为3款高速跨阻放大器芯片的辐射敏感参数,其变化与电离辐射在SiO_(2)/Si界面引起正电荷建立和界面态直接相关。辐照后的芯片仍然能够满足高带宽测试情况下的需求,150 Gy(Si)为电参数和功能合格的累积剂量。

基于IBIS模型的FPGA总剂量效应建模方法

提出了一种基于输入/输出缓冲区信息规范的FPGA的TID效应建模方法。将FPGA电路结构划分为3部分:输入缓冲区、输出缓冲区、逻辑功能区。缓冲区模型基于IBIS模型使用VHDLAMS建立,功能区模型基于特定需求采用VHDL建立。针对基于IBIS模型的建模需要,测量了FPGA在0 krad(Si)、820 krad(Si)和2.52 Mrad(Si)的IBIS模型和端口电平数据。通过对比仿真结果和试验结果,验证了所建模型能够反映FPGA受TID效应影响后的电平转换时间变长现象,结果误差在30%以内。所提建模方法为评估数字器件的TID效应提供了模型支撑,对数字系统抗辐射加固具有一定参考意义。

不同参数对静态随机存储器总剂量效应的影响

基于中国原子能科学研究院钴源建立的器件总剂量辐照装置试验平台,开展了静态随机存储器(SRAM)的总剂量效应研究。分别研究了器件特征工艺尺寸、累积辐照剂量、辐照剂量率以及温度对器件总剂量效应的影响。研究结果表明:在一定范围内剂量率对器件的总剂量效应影响不大,器件特征工艺尺寸越大总剂量效应的影响越大,温度越高总剂量效应影响越弱。此外还测量得到了该总剂量辐照实验平台的典型剂量率分布及均匀性。相关结果为宇航、核工业用电子器件抗辐射加固设计提供了一定的参考。

总剂量与单粒子协合效应对SRAM单粒子翻转敏感性影响的仿真研究

静态随机存储器(SRAM)在空间环境中可能会受到总电离剂量(TID)效应和单粒子效应(SEE)协合作用的影响,导致器件单粒子翻转(SEU)的敏感性发生改变。文章针对90 nm的SRAM器件,通过器件级和电路级的综合仿真手段,利用计算机辅助设计(TCAD)和集成电路模拟程序(SPICE)软件研究TID和SEE的协合作用对SRAM器件SEU敏感性的影响机制。发现:当TID和SEE作用在器件相反工作阶段(即存储相反数据)时,SEU敏感性随着总剂量的增加而增强;当TID和SEE作用在器件相同工作阶段(即存储相同数据)时,SEU敏感性随着总剂量的增加而减弱。其原因主要是SRAM的一个下拉NMOS管受到总剂量辐照发生损伤后,引起电路恢复时间和反馈时间的改变,并且恢复过程和反馈过程对SEU敏感性的贡献程度不同。以上模拟结果可为存储器件的抗辐射加固设计提供参考。

不同偏置下增强型AlGaN/GaN HEMT器件总剂量效应研究

氮化镓功率器件凭借优异性能被抗辐照应用领域重点关注,为探究氮化镓功率器件抗γ射线辐照损伤能力,明确其辐射效应退化机制,针对增强型AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(High Electron Mobility Transistor,HEMT)器件开展不同偏置(开态、关态和零偏置)条件下的γ射线辐照与不同温度的退火试验,分析器件电学性能同偏置条件和退火环境之间的响应规律。结果表明:随着γ射线辐照剂量的增加,器件阈值电压负漂,跨导峰值、饱和漏电流和反向栅泄漏电流逐渐增加,且在开态偏置条件下器件的电学特性退化更加严重;此外,高温环境下退火会导致器件的电学性能恢复更加明显。分析认为γ射线辐照剂量越高,产生的辐照缺陷越多,同时栅极偏压会降低辐照引发的电子-空穴对的初始复合率,逃脱初始复合的空穴数量增多,进一步增加了缺陷电荷的浓度;而高温环境会导致器件发生隧穿退火或热激发退火,有助于器件性能恢复。氮化镓功率器件的辐照损伤过程及机理研究,为其空间环境应用的评估验证提供了数据支撑。